Nghiên cứu ảnh hưởng của rãnh thoát khí trong khuôn ép phun đến độ bền kéo của vật liệu composite sợi ngắn thủy tinh

Nội dung text: Nghiên cứu ảnh hưởng của rãnh thoát khí trong khuôn ép phun đến độ bền kéo của vật liệu composite sợi ngắn thủy tinh

1. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA RÃNH THOÁT KHÍ TRONG KHUÔN ÉP PHUN ĐẾN ĐỘ BỀN KÉO CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE SỢI NGẮN THỦY TINH Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM TÓM TẮT Trong quá trình ép phun thì lòng khuôn sẽ được điền đầy bởi vật liệu Composite nóng chảy, và lượng khí chiếm trong đó sẽ được thoát ra ngoài theo các rãnh thoát khí[1]. Tuy nhiên, nếu chúng không được thoát tốt thì sẽ tạo ra các khuyết tật như: Rỗ khí, sản phẩm không được điền đầy hoàn toàn sẽ ảnh hưởng lớn đến cơ tính của sản phẩm Trong đề tài này tác giả chế tạo các mẫu thử bằng vật liệu PA66-30GF, PA6 trong khuôn ép phun 2 tấm, với chiều sâu rãnh thoát khí thay đổi từ 0mm đến 0.1mm. Tương ứng với mỗi chiều sâu rãnh thoát khí, thì các mẫu thử được ép với áp suất phun thay đổi từ 0.9MPa đến 1.3MPa. Các mẫu thử sau khi ép được kiểm tra đồ bền kéo . Các kết quả kiểm tra cho thấy cùng một áp suất phun thì độ bền kéo tăng lên khi chiều sâu rãnh thoát khí tăng lên. Cùng chiều sâu rãnh thoát khí, khi tăng áp suất phun thì độ bền kéo tăng lên. Trong khi đó, khuôn chưa gia công rãnh thoát khí thì khi tăng áp suất phun độ bền kéo của mẫu thử tăng lên, sau đó giảm xuống khi tiếp tục tăng áp suất phun. ABSTRACT In the molding process, the cavity will be filled by the composite melt, so, the air in the cavity will be pressed to the outside by the venting system[1]. So, if the venting system is not suitable, the trouble as air trap, short shot, will be appeared, in addition, the venting system is also one of the main reason for reducing the strength of plastic produce. In this research, the material of PA66-30GF and PA6 will be used for producing the tensile testing speciment, with the injection mold has the depth of venting system could be change from 0 mm to 0.1 mm. Each depth of venting system, the injection pressure will be operated from 0.9 MPa to 1.3 MPa. All the strength of tensile testing. The result shows that with the same injection pressure, the strength of welding line will increase with the larger venting system. With the same venting system, this strength is also improved with higher injection pressure. However, without the venting system, the weldline strength is only increase with the range of low injection pressure, with the higher injection pressure, the weldline strength will get the negative result. 1
2. I. GIỚI THIỆU thủy tinh.Và mối liên quan giữa chiều sâu Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa rãnh thoát khí và áp suất phun. học kỹ thuật trong những năm gần đây. Công nghệ ép phun vật liệu Composite đóng một vai trò quan trọng việc tạo ra những sản phẩm đa dạng về hình dạng và kích cỡ. Trong quá trình ép phun thì việc điều chỉnh áp suất phun đóng một vai trò quan trọng. nếu áp suất phun thấp thì sản phẩm không được điền đầy hoàn toàn, ảnh hưởng đến cơ tính của sản phẩm. Ngược lại, nếu áp suất Hình 1:Quá trình hình thành đường hàn. phun quá cao, quá trình điền đầy diễn ra nhanh, khí trong khuôn không thoát ra kịp, sẽ II. THÍ NGHIỆM xảy ra hiện tượng ngậm khí tại vị trí đường Trong nghiên cứu này, nhựa PA66-GF30 hàn[2]. sẽ được sử dụng để tạo ra mẫu thử kéo. Đường hàn trong sản phẩm nhựa khi sản Bảng 1 Các thông số phun ép của nhựa xuất bằng phương pháp ép phun là khó PA66-GF30. tránh khỏi nhưng làm thế nào để sản phẩm có được ngoại quan và độ bền tốt Bảng 1: Thông số phun ép của nhựa nhất thì đó là điều cần bàn đến. PA66-30GF Đường hàn là đường gặp nhau của hai hay nhiều dòng nhựa trong quá trình ép phun. Nó Thông số phun ép thường xảy ra xung quanh các lỗ hay các vật Nhiệt độ nhựa 280 – 300 oC cản khi dòng nhựa chảy qua và tạo thành một Nhiệt độ khuôn 40 – 60 oC vùng rất yếu cục bộ quanh sản phẩm ép Tốc độ phun 100 – 240 mm/s phun[3]. o Hiện nay trong công nghiệp để hạn chế ảnh Nhiệt độ sấy 60 – 90 C hưởng của đường hàn thì người ta thiết kế Thời gian sấy 2.0 – 16 giờ rãnh thoát khí tại những vùng đặc biệt, giảm Độ ẩm cho phép 0.010 – 0.150 % áp suất phun, nhiệt độ chảy. Tuy nhiên với Áp suất phun 0.9 – 1.3 MPa phương pháp này nếu giảm nhiệt độ và áp suất phun thì sản phẩm không được điền đầy hoàn toàn sẽ ảnh hưởng đến độ bền sản phẩm. Do đó việc điều chỉnh áp suất phun và thiết kế chiều sâu rãnh thoát khí hợp lý là cơ sở quan trọng để tạo ra những sản phẩm có chất lượng tốt nhất. Qua các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước[4 .8,9]chưa có đề tài nào nghiên cứu về ảnh hưởng của chiều sâu rãnh thoát khí trong khuôn ép phun đến độ bền của vật liệu Composite. Trong đề tài này, tác giả sẽ tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của chiều sâu rãnh thoát khí, áp suất phun đến độ bền kéo của vật liệu Composite cốt sợi ngắn 2
3. Hình 2:Mẫu thử. Hình4:Thử kéo trên máy Instron Series 3367 III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Ảnh hưởng chiều sâu rãnh thoát khí. Trong quá trình thực nghiệm các thông số phun ép sẽ được cài đặt: nhiệt độ nhựa (melt temperature) được điều chỉnh ở 280 oC, áp suất phun (injection pressure) ở 1.3MPa. Các giá trị khi kiểm tra độ bền kéo được ghi nhận như( Bảng 2)và biểu đồ như (Hình5). Kết quả so sánh về độ bền kéo của mẫu thử cho Hình 3:Bộ khuôn hoàn chỉnh thấy cùng một áp suất phun, khi tăng chiều sâu rãnh thoát khí từ 0mm đến 0.1mm thì độ Mẫu thử được thiết kế như Hình 2 (với bền kéo tăng từ 56Kgf đến 67.2Kgf. Tăng chiều dày 2.0 mm), với thiết kế lòng khuôn 10.9% có vị trí vào nhựa từ hai bên. Trong quá trình phun ép, nhiệt độ nhựa (melt temperature) Bảng 2: kết quả thử kéo PA66-30GF tại được điều chỉnh ở 280 oC, áp suất phun áp suất phun 1.3 MPa (injection pressure) được thay đổi từ 0.9MPa COMPOSITE PA66-GF30 đến 1.3MPa. Tương ứng với mỗi áp suất Chiều sâu phun thì chiều sâu rãnh thoát khí cũng được rãnh thoát khí(mm) 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 thay đổi từ 0mm đến 0.1mm. Các mẫu thử sẽ được kiểm tra độ bền kéo. Lực kéo trung 56.3 62.9 63.8 66.3 66.7 67.2 Nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của chiều bình(Kgf) sâu rãnh thoát khí, áp suất phun đến độ bền kéo của vật liệu Composite. Ứng với mỗi chiều sâu rãnh thoát khí, nhiệt độ được giữ nguyên ở 2800c, chỉ thay đổi áp suất phun từ 0.9MPa đến 1.3MPa. ở mỗi chế độ ép sẽ lặp lại 14 lần, chỉ lấy từ lần ép thứ 6 đến lần ép thứ 10. Điều này sẽ tránh sự ảnh hưởng của vật liệu dư từ lần ép trước và bảo đảm số lượng mẫu hỏng khi tiến hành kéo. Hình 5:Biểu đồ lực kéo mẫu thử PA66-GF tại áp suất phun 1.3MPa 3
4. Kết quả trên có thể được giải thích như Tuy nhiên, phương pháp tăng áp suất cũng có sau: Khi chưa gia công rãnh thoát khí, thì những hạn chế là khi áp suất quá cao, tốc độ trong quá trình điền đầy, khí trong khuôn dòng chảy của nhựa tăng lên, nếu lực giữ không kịp thoát ra ngoài, dẫn đến hiện tượng khuôn yếu sẽ làm cho sản phẩm bị khuyết tật. ngậm khí tại vị trí đường hàn. Làm cho độ Lực ma sát giữa dòng nhựa và thành khuôn bền kéo giảm. khi có rãnh thoát khí thì hiện làm cho nhiệt độ tăng lên. Nếu hệ thông thoát tượng ngậm khí không xảy ra. Làm cho độ khí không tốt sẽ làm sản phẩm bị cháy, hoặc bền kéo tăng lên. Chiều sâu rãnh thoát khí bị cong vênh. càng lớn thì độ bền kéo càng tăng. 3.2 Ảnh hưởng của áp suất phun. Để nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất phun đến độ bền kéo của vật liệu nhựa. Các giá trị đầu vào như nhiệt độ nhựa (melt temperature) được điều chỉnh ở 280 oC, nhiệt độ khuôn(mold temperature) là 600C, chiều sâu rãnh thoát khí là 0.1mm. Các giá trị của lực kéo(Tensile) được ghi nhận như Bảng 3 và biểu đồ như Hình 6. Kết quả so sánh về độ bền kéo cho thấy cùng chiều sâu rãnh thoát khí khi tăng áp suất phun tăng từ 0.9MPa lên 1.3MPa thì lực kéo tăng từ 62.25Kgf lên 67.2Kgf. Tăng 4.95% Hình 6:Biểu đồ lực kéo mẫu thử PA66-GF tại chiều sâu rãnh thoát khí 0.1mm Bảng 3: Kết quả thử kéo PA66-30GF ở chiều sâu rãnh thoát khí 0.1mm 3.3/ Mối quan hệ giữa áp suất phun và chiều sâu rãnh thoát khí. Khi chưa gia công rãnh thoát khí: VẬT LIỆU COMPOSITE PA66-GF30 Giữ nguyên các giá trị đầu vào. Chỉ thay đổi Áp suất áp suất phun từ 0.9MPa đến 1.3MPa. Các giá phun(MPa) 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 trị lực kéo được ghi nhận tại bảng 4, và biểu đồ như hình 7. Kết quả so sánh về độ bền kéo Lực kéo trung 62.25 64.2 66.3 66.8 67.2 cho thấy khi tăng áp suất phun từ 0.9MPa bình(Kgf) đến 1.1MPa thì lực kéo tăng từ 58.7Kgf lên 60.1Kgf. Tiếp tục tăng áp suất phun từ Tương tự như trên kết quả này cũng được 1.1MPa đến 1.3MPa thì lực kéo giảm từ giải thích dựa vào độ bền tại vị trí đường hàn. 60.1Kgf xuống 56.3Kgf. Khi áp suất phun thấp thì tốc độ dòng chảy trong khuôn giảm, làm cho sản phẩm không được điền đầy hoàn toàn nên độ bền kéo giảm. Khi áp suất tăng lên thì tốc độ dòng chảy của nhựa cũng tăng, độ liên kết tại vị trí đường hàn tốt, làm cho độ bền kéo của mẫu thử tăng lên. 4
5. Bảng 4: Kết quả thử kéo PA66-30GF khi 66.3Kgf. rãnh thoát khí 0.08mm thì lực kéo chưa có rãnh thoát khí tăng từ 61.85Kgf lên 66.7Kgf. Và rãnh thoát khí 0.1mm thì lực kéo tăng từ 62.25Kgf lên VẬT LIỆU COMPOSITE PA66-GF30 67.2Kgf. Áp suất Bảng 5: Kết quả thử kéo PA66-30GF khi có phun(MPa) 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 rãnh thoát khí Lực kéo Áp suất Chiều sâu rãnh thoát khí(mm) trung 57.3 59.25 60.1 59.7 56.4 bình(Kgf) phun(MPa) 0.02mm 0.04mm 0.06mm 0.08mm 0.1mm 0.9MPa 59.5 60.3 61.1 61.85 62.25 1.0MPa 61.02 61.5 62.7 63.5 64.2 1.1MPa 61.4 62.8 64.04 65.1 66.3 1.2MPa 62.7 63.4 65.2 66.03 66.8 1.3MPa 64.2 63.8 66.3 66.7 67.2 Hình 7:Biểu đồ lực kéo mẫu thử PA66-GF khi chưa có rãnh thoát khí Để giải thích cho hiện tượng này là khi ta tăng áp suất phun từ 0.9MPa lên 1.1MPa thì độ liên kết đường hàn tăng lên làm cho độ bền kéo tăng. Tuy nhiên khi áp suất vượt quá 1.1MPa thì tốc độ dòng chảy nhựa tăng, hiện tượng gia nhiệt do ma sát giữa các lớp nhựa Hình 8: Biểu đồ lực kéo mẫu thử PA66-GF tăng, do đó tại vị trí đường hàn xảy ra hiện khi có rãnh thoát khí tượng ngậm khí, do khí không kịp thoát ra ở chiều sâu rãnh thoát khí 0.1mm thì lực kéo ngoài. Dẫn đến độ bền kéo giảm xuống. tăng lên rõ rệt nhất. tăng 5.2% khi tăng áp Khi khuôn được gia công rãnh thoát khí: suất phun từ 0.9MPa lên 1.3MPa. Các thông số ép vẫn được giữ nguyên như Khi chiều sâu rãnh thoát khí lớn, khí trong trường hợp chưa gia công rãnh thoát khí. Chỉ khuôn được thoát ra ngoài hết, nhựa được thay đổi áp suất phun từ 0.9MPa đến điền đầy hoàn toàn. Không xảy ra hiện tượng 1.3MPa. Các giá trị lực kéo được ghi nhận tại cản trở dòng chảy, sản phẩm không bị rỗ khí. bảng 5, và biểu đồ như hình 8. Kết quả so Độ bền tại vị trí đường hàn tăng lên. Do đó sánh về độ bền kéo cho thấy ở rãnh thoát khí độ bền kéo cũng tăng lên. 0.02mm, khi tăng áp suất phun từ 0.9MPa Kết quả chụp SEM (hình 9,10) cho thấy đến 1.3MPa thì lực kéo tăng từ 59.5Kgf lên rõ hiện tượng này 62.9Kgf. ở rãnh thoát khí 0.04mm thì lực kéo tăng từ 60.3Kgf lên 63.8Kgf. rãnh thoát khí 0.06mm thì lực kéo tăng từ 61.1Kgf lên 5
6. làm cho độ bền kéo của vật liệu tăng lên. Điều này chứng minh được rằng rãnh thoát khí trong khuôn ép phun có ảnh hưởng đến độ bền kéo của vật liệu IV. KẾT LUẬN Khi khuôn chưa được gia công rãnh thoát khí: Khi tăng áp suất phun thì độ bền kéo của vật liệu tăng lên, đạt cực đại ở áp suất phun Hình9: ảnh SEM khi chưa gia công rãnh 1.1MPa, sau đó giảm xuống khi tiếp tục tăng thoát khí áp suất phun 1.2MPa và 1.3Mpa Khi khuôn đã gia công rãnh thoát khí: Cùng một áp suất phun khi tăng chiều sâu rãnh thoát khí thì độ bền kéo của vật liệu tăng lên.Cùng chiều sâu rãnh thoát khí, khi tăng áp suất phun thì độ bền kéo của vật liệu cũng tăng lên. Kết quả nghiên cứu này là cơ sở để đánh giá ảnh hưởng của chiều sâu rãnh thoát khí và áp suất phun đến độ bền kéo của vật liệu Hình10: ảnh SEM khi gia công rãnh thoát Composite cốt sợi ngắn thủy tinh. khí 0.1mm LỜI CẢM ƠN Quan sát hình ảnh SEM ta thấy mẫu thử Em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS được ép khi chưa gia công rãnh thoát khí có bề mặt tế vi của mẫu còn nhiều chỗ chưa Đỗ Thành Trung, thầy TS. Phạm Sơn Minh, được điền đầy hoàn toàn, còn có nhiều chỗ thầy Th.S Trần Minh Thế Uyên đã tận tình trống, do quá trình ép mẫu những chất khí giúp đỡ em hoàn thành nghiên cứu trong chưa thoát kịp gây ra hiện tượng rỗ khí, làm khuôn khổ đề tài nghiên cứu cấp trường của cho độ bền kéo giảm. trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Mẫu thử được ép khi đã gia công rãnh HCM. thoát khí thì bề mặt tế vi nhẵn hơn, không còn những sợi tua bám trên bề mặt, những khoảng trống cũng được điền đầy hoàn toàn, 6
7. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS Phạm sơn minh, Th S Trần Minh Thế Uyên -Thiết kế và chế tạo khuôn ép nhựa, NXB Đại Học Quốc Gia Tp HCM, năm 2014. [2] Vũ Hoài Ân -Thiết kế khuôn cho sản phẩm nhựa ĐH Bách Khoa Hà Nội,2008. [3] mau.html. [4]Cheng-Hsien Wu, Wan-Jung Liang- Effects of Geometry and Injection-Molding Parameters on Weld-Line Strength - Department of Mechanical and Automation Engineering, Da-Yeh University, 112 Shan-Jeau Road, Dah - Tsuen Chang-Hwa 515, Taiwan, 2005 [5]Hamdy Hassan, Nicolas Regnier, Guy Defaye- A 3D study on the effect of gate location on the cooling of polymer by injection molding- International Journal of Heat and Fluid Flow,2008. [6]Chun-sheng chen, Tsyr-Jang Chen, Rean-Der Chien, Shia-Chung Chen- Investigation on the weldline strength of thin-wall injection molded ABS part- International Communications in Heat and Mass Transfer 34 (2007) 448–455. ]7] S.Fellahi, B.fisa, and S.D. Favis- Weldline Strength in Injection Molded HDPE/PA6 Blends: Influence of Interfacial Modification - Centre de Recherche Appliquee Sur Les Polymeres (CRASP), Ecole Polytechnique de Montrkal, P.O.Box6079, Station “Centreville” Montreal, Quebec, Canada H3C 3A7,1995. [8] Saeed Fathi, Amir Hossein Behravesh -Visualization of the Flow History Contours at the Cross-Section of a Weld-Line in an Injected Molded Part- Faculty of Engineering, Department of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran-Received 8 July 2007; accepted 13 January 2008. [9] Jin Kon Kim, Ju Ho Song, S . T. Chung,‘ and T. H. Kwon- Morphology and Mechanical Properties of Injection Molded Articles With Weld-Lines - Department of Chemical Engineering and Department of Mechanical Engineering Pohang University of Science and Technology Pohang, Kyungbuk 790-784, Korea, 1997. 7
8. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.